張潤澤

(濱海金地礦業(yè)工程技術(shù)(北京)有限公司，北京 100027)

我國單位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍，若能達(dá)到世界平均水平，每年必須少用13 億t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排34 億t二氧化碳，約占2020年碳排放總量的1/3[1]。結(jié)合“雙碳”戰(zhàn)略，在未明確提出“3060”目標(biāo)前，經(jīng)濟(jì)效益最大化、降低生產(chǎn)成本是行業(yè)發(fā)展的主要思考點(diǎn)；在提出“3060”戰(zhàn)略后，煤炭行業(yè)思考的方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向了是否有排污權(quán)、用能權(quán)、用水權(quán)、碳排放權(quán)等，同時(shí)在新建、改造或生產(chǎn)過程中優(yōu)先考慮低碳節(jié)能技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和投資回收期等主要問題。在雙碳戰(zhàn)略下，順應(yīng)低碳節(jié)能發(fā)展趨勢，選煤行業(yè)通過增加煤炭入洗率提高質(zhì)量；采用智能化、信息化等新技術(shù)做到節(jié)能、減排、降耗；保留優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能、淘汰落后的洗選加工方式已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

1 煤炭的戰(zhàn)略地位

2025年前后煤炭消費(fèi)實(shí)現(xiàn)達(dá)峰，預(yù)計(jì)消費(fèi)將達(dá)到42億t/a[2]；2060年煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比從57%下降至7%(詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示)，消費(fèi)量下降至約3～5億t/a[3]。保留的煤炭消費(fèi)主要是化工行業(yè)和能源應(yīng)急響應(yīng)的用煤需求?；谑澜缒茉锤窬?、我國資源稟賦現(xiàn)狀以及現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求，未來20年煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中仍然占有較高的比重，是國家能源安全的重要保障。

表1 煤炭在一次能源中的消費(fèi)比例 %

2 選煤行業(yè)的現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，中國選煤行業(yè)處于發(fā)展初期，跳汰選煤是主流分選工藝。20世紀(jì)90年代，中國選煤行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，國外先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備的引進(jìn)和國內(nèi)重介分選設(shè)備的開發(fā)促進(jìn)了選煤技術(shù)設(shè)備的發(fā)展，推動(dòng)了行業(yè)的進(jìn)步，重介選煤替代跳汰選煤成為主流工藝。中國選煤工藝呈現(xiàn)國產(chǎn)化、大型化趨勢，逐漸達(dá)到國際先進(jìn)水平[4]。

2.1 濕法選煤的發(fā)展趨勢

隨著煤炭清潔化利用，重介質(zhì)分選順應(yīng)低碳發(fā)展趨勢，逐年提升入洗率提高煤炭質(zhì)量。2005—2016年，我國原煤的入選量從7.0億t增長至25.1億t(詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示)，到2016年煤炭的入洗率達(dá)到65%[5]?！笆濉逼陂g，煤炭入洗率進(jìn)一步提升，2020年我國原煤入洗能力達(dá)到32億t以上，原煤入洗率達(dá)到75%。在此基礎(chǔ)上，“十四五”規(guī)劃，繼續(xù)提升入洗率達(dá)至90%。

表2 我國原煤入選量及入選比例

2.2 濕法分選存在的問題

根據(jù)我國煤炭分布和煤自身稟賦的特點(diǎn)，濕法分選雖然是我國煤炭洗選加工的主流工藝方法，但在一定程度上也存在較大的局限性。

(1)我國煤炭分布不均衡，70%以上分布在干旱缺水的西部地區(qū)[6]。采用耗水量較大的濕法分選，對于水資源短缺的地方相當(dāng)困難，就重介質(zhì)選煤而言，入洗1 t原煤耗水量約0.03 m3。

(2)低階煤自身遇水易泥化。采用濕法分選后，煤泥水中大量的細(xì)煤泥及矸石泥造成系統(tǒng)處理負(fù)荷增加，煤泥水處理困難。

(3)在北方嚴(yán)寒的冬季，細(xì)煤泥經(jīng)壓濾設(shè)備處理后，動(dòng)力煤選煤廠一般都是摻入混煤發(fā)運(yùn)，易造成混煤煤質(zhì)水分偏大或者粘度增加，火車裝運(yùn)的重車因煤質(zhì)水分大、長時(shí)間運(yùn)行、極寒天氣等綜合因素經(jīng)常造成凍車或者卸煤堵料影響一體化運(yùn)行的情況發(fā)生。

除此之外，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，介質(zhì)循環(huán)雖然是采用耐磨管道輸送，但是系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”的現(xiàn)象，管道和主要設(shè)備的磨損一直是生產(chǎn)現(xiàn)場需要解決的問題。既消耗人力資源，也增加設(shè)備維護(hù)、更換的成本。隨著煤炭加工向“保質(zhì)”、“保量”雙向并重的清潔發(fā)展，濕法分選中入洗率提升，介質(zhì)消耗越來越大。細(xì)煤泥中的高灰細(xì)粒煤占比增加一方面造成沉降困難，另一方面采用加壓過慮機(jī)或者板框壓濾機(jī)處理效果不佳，導(dǎo)致煤泥難以排出系統(tǒng)，造成濃縮池壓力增加，同時(shí)藥劑消耗增大。

3 干選技術(shù)的發(fā)展及突破

干法選煤技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有40多年，通過創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，解決發(fā)展過程中遇到的分選精度低、物料識別準(zhǔn)確度差、穩(wěn)定性和適應(yīng)性弱等問題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)優(yōu)創(chuàng)效，解決濕法選煤所產(chǎn)生的技術(shù)及成本問題。

3.1 干選技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)80、90年代進(jìn)入探索研究階段，主要是空氣重介和復(fù)合式干選機(jī)的技術(shù)研究[7]；21世紀(jì)初進(jìn)入技術(shù)攻關(guān)階段，主要解決干法選煤理論、技術(shù)與工程化的難題，提高干法選煤的精度、效率、可靠性和適應(yīng)性。近十年來，隨著智能化發(fā)展和算法的成熟，干法選煤進(jìn)入快速發(fā)展階段。選煤行業(yè)掀起了新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮，涌現(xiàn)出大型復(fù)合式干法分選機(jī)、模塊式高效干法選煤工藝、新一代干法重介質(zhì)流化床分選機(jī)、光電(智能)干選機(jī)等一系列干選設(shè)備。

利用射線分選技術(shù)的智能干選機(jī)秉承干選技術(shù)不用水、不用介質(zhì)、系統(tǒng)簡單的特點(diǎn)，率先建立分選精度高、噴吹精度準(zhǔn)、設(shè)備體積小、生產(chǎn)成本低、投資運(yùn)行省的優(yōu)勢，響應(yīng)當(dāng)下煤炭行業(yè)節(jié)能、減排、降耗等政策號召，在國內(nèi)選煤廠和煤礦井下快速推廣應(yīng)用。

3.2 智能干選機(jī)的技術(shù)突破

(1)實(shí)現(xiàn)300～80 mm大塊、80～25 mm中塊物料分選。在智能干選機(jī)逐漸成熟并走向工業(yè)現(xiàn)場的過程中，主要解決的就是識別準(zhǔn)確度、噴吹精度和處理能力的技術(shù)問題。

智能干選機(jī)采用前沿大數(shù)據(jù)分析、人工智能和圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對煤和矸石的識別，并運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)優(yōu)迭代，提高識別的準(zhǔn)確度。采用有限元分析與流體力學(xué)耦合分析技術(shù)提高了噴吹精確度。采用多級布料、多級加速，解決物料在布料器上粘連疊壓的問題，提升處理能力。

(2)實(shí)現(xiàn)25～6 mm分選。實(shí)際生產(chǎn)中，細(xì)粒煤處理一直是干選的難題，原煤在風(fēng)力、激振力和重力3個(gè)力場的作用下，將產(chǎn)生流化現(xiàn)象，不同密度、粒度原煤流態(tài)化所需要的力場不同。通過智能梯度流態(tài)化高精度末煤分選的技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)的多相、多組分、多尺度的流態(tài)化分選理論體系，將煤流分為不同的梯度，賦予各梯度不同的力場，使不同密度、粒度的原煤在各梯度呈現(xiàn)不同的流化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)原煤徹底按密度分層，再將各層精準(zhǔn)切分出來，實(shí)現(xiàn)25～6 mm精確分選的目的。

結(jié)合弛張篩6 mm以下脫粉工藝，干法選煤工藝系統(tǒng)為300～25 mm大、中塊分選，25～6 mm末煤分選。圖1為干選工藝流程。

圖1 干選工藝流程

4 干法選煤的應(yīng)用與前景

干法選煤技術(shù)在實(shí)現(xiàn)全粒級分選和結(jié)合智能化發(fā)展的基礎(chǔ)上，逐步走向成熟。新形勢下，干選技術(shù)應(yīng)該在規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)規(guī)?；到y(tǒng)、配套井下矸石充填以及清潔高效利用煤炭資源等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破和工業(yè)應(yīng)用。

4.1 提高煤炭適應(yīng)性和分選精度

針對原煤不同的粒度組成，水分、灰分的變化，特別是出現(xiàn)礦井煤源是多個(gè)工作面配采、地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等導(dǎo)致原煤質(zhì)量波動(dòng)較大的生產(chǎn)情況，提高煤炭干選技術(shù)的適應(yīng)性，制定煤炭干法分選可行性評價(jià)方法；對比領(lǐng)先領(lǐng)域的技術(shù)特征，提高物料識別和分析智能化程度，做到煤中有機(jī)質(zhì)與礦物質(zhì)的精準(zhǔn)分離、有機(jī)顯微組分的高效富集，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的分選。

4.2 推進(jìn)選煤廠大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化發(fā)展

保留優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能、淘汰落后的洗選加工方式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)優(yōu)，實(shí)現(xiàn)大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化選煤廠發(fā)展是進(jìn)步的趨勢[8]。提高干法分選能力，開發(fā)處理能力大、適應(yīng)性強(qiáng)的干選設(shè)備，完善千萬噸級大型干法選煤廠配套裝備；建立規(guī)范的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系，發(fā)揮設(shè)備高度模塊化和可移動(dòng)性的優(yōu)勢，節(jié)省建設(shè)周期和維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備制造、選煤廠設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)化；結(jié)合智能化發(fā)展趨勢，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)融入干法選煤全過程，完善智能感知、智能控制、智能管理、智能決策的建設(shè)體系，加強(qiáng)系統(tǒng)性建設(shè)。

4.3 實(shí)現(xiàn)井下干法排矸充填技術(shù)

近年來煤炭行業(yè)提出了“采選充一體化”的新生產(chǎn)模式，即井下采煤、井下煤矸分選、選后矸石充填井下采空區(qū)三部分形成循環(huán)閉合開采體系。對比濕法分選，干選應(yīng)充分發(fā)揮系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少、穩(wěn)定可靠、寬度窄、體積小、智能程度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)井下遠(yuǎn)程集控、無人值守的智能化技術(shù)的應(yīng)用，切實(shí)踐行煤炭原位干法分選，矸石不升井，減少環(huán)境污染，降低運(yùn)輸和洗選成本等友好發(fā)展理念。

4.4 開發(fā)提質(zhì)增效配套技術(shù)

目前，干法選煤技術(shù)還主要是應(yīng)用在煤矸分離過程中，下一步應(yīng)研究降水、降灰等低能耗、高效率的干法提質(zhì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)干法分選與提質(zhì)增效的一體化生產(chǎn)，提高分選加工質(zhì)量，滿足不同用戶的要求；同時(shí)，需開發(fā)粉煤灰、煤泥、煤矸石等的干法分選技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其資源化利用和固體廢棄物零排放，為煤炭清潔、高效利用提供合理、有效的途徑。

5 煤炭洗選加工未來發(fā)展方向

5.1 洗選工藝裝備的多樣化

在雙碳目標(biāo)下，更加突顯出煤炭洗選加工的重要性。未來煤炭洗選加工存在以下幾種可能的發(fā)展趨勢：① 為了降低環(huán)境的影響，煤炭洗選加工的部分工藝或全部工藝放到井下，實(shí)現(xiàn)矸石的部分或全部不升井；② 干法分選與傳統(tǒng)濕法分選的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達(dá)到洗選過程的節(jié)能、減排；③ 分選裝備的多樣性發(fā)展，既能滿足地面煤炭分選的需要，也要滿足井下煤炭分選的條件。

5.2 智能化貫穿分選全過程

智能化選煤是指通過智能化技術(shù)在選煤過程的應(yīng)用，生產(chǎn)運(yùn)行逐步做到少人或無人干預(yù)，最終達(dá)到選煤廠安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)。

智能化建設(shè)在選煤過程中的技術(shù)路線：① 通過智能傳感、大數(shù)據(jù)技術(shù)的感知和認(rèn)知，認(rèn)定選煤全流程的運(yùn)行狀態(tài)是否正常；② 在認(rèn)定結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)選煤流程智能運(yùn)維和操作優(yōu)化；③ 結(jié)合虛擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬選煤廠的設(shè)計(jì)與實(shí)體選煤廠信息、物理系統(tǒng)的完美映射與深度融合，促進(jìn)實(shí)體選煤廠生產(chǎn)優(yōu)化升級；④ 聯(lián)動(dòng)采、選、運(yùn)全產(chǎn)業(yè)鏈過程，推送、共享過程信息，應(yīng)用智能協(xié)同技術(shù)，減少中間環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)控制生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；⑤ 配套全方位、全流程的工業(yè)軟件平臺(tái)，為做好生產(chǎn)過程監(jiān)測監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、智能管理等功能提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的載體和接口[9-11]。

智能化實(shí)施步驟可能分為以下三個(gè)方面：

(1)單機(jī)設(shè)備的智能化。分選設(shè)備的智能化包括各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取，大數(shù)據(jù)分析，智能算法學(xué)習(xí)決策，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備各參數(shù)之間的高效協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)對單臺(tái)分選設(shè)備的智能化決策和調(diào)控。

(2)系統(tǒng)全局的智能化。分選工藝系統(tǒng)中，各個(gè)設(shè)備之間存在著很強(qiáng)的耦合關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整個(gè)流程的能耗、污染物排放優(yōu)化，必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)。建議首先根據(jù)工業(yè)流程機(jī)理計(jì)算，確定流程的最佳參數(shù)范圍和限制條件，結(jié)合智能非線性系統(tǒng)優(yōu)化算法，尋求全局優(yōu)化解，進(jìn)而確定工藝流程系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的最佳參數(shù)。系統(tǒng)的全局優(yōu)化是建立在大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，并且可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)分析，目前在化工領(lǐng)域已經(jīng)開展應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能降耗效果。

(3)全過程生產(chǎn)智能指揮。在傳統(tǒng)的集中控制、集中調(diào)度、集中協(xié)調(diào)匯報(bào)的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)指揮模式下，引入生產(chǎn)、煤質(zhì)、機(jī)電、經(jīng)營等精細(xì)化管理理念，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，以可移動(dòng)、可穿戴等終端設(shè)備為載體，構(gòu)建“大生產(chǎn)管理”體系。促進(jìn)機(jī)器與機(jī)器，人與人，人與機(jī)器之間的交流互通，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨時(shí)間、跨業(yè)務(wù)的信息互聯(lián)，達(dá)到提高生產(chǎn)指揮效率、提升故障處理反應(yīng)速度、減少中間層級傳遞環(huán)節(jié)、降低生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)消耗等管理目標(biāo)，切實(shí)做到企業(yè)的信息化管理及生產(chǎn)全過程管理智能化監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化、可視化以及有序化的運(yùn)行管理。

6 結(jié) 語

雙碳目標(biāo)下，煤炭洗選加工更為重要。傳統(tǒng)的煤炭洗選加工工藝及方法雖然實(shí)現(xiàn)了原煤75%的入洗，但也存在一系列的問題。干法分選技術(shù)的快速發(fā)展取得了豐碩的成果，并進(jìn)行了規(guī)模推廣應(yīng)用。煤炭的洗選工藝裝備的多樣化是未來煤炭洗選加工行業(yè)的趨勢之一，干法分選與傳統(tǒng)濕法分選的有機(jī)結(jié)合，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達(dá)到洗選過程的節(jié)能、減排。依托選煤大數(shù)據(jù)與專家知識庫，形成整體感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)共享、綜合分析、獨(dú)立學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，是煤炭洗選加工過程控制的發(fā)展方向，生產(chǎn)運(yùn)行逐步做到少人或無人干預(yù)，最終達(dá)到選煤廠安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)。